本发明涉及云计算物联网技术领域，具体地说是一种可重构雾节点及基于该雾节点的物联网系统。
背景技术：
雾节点是物联网系统中位置接近物联网边缘的设备是对物联网终端进行数据预处理的单元。在目前基于云的物联网系统部署中都是采用云+端方式进行，即系统中的物联网设备直接通过网络连到云平台上进行数据的传输，对设备的控制也是直接由云端发起通过网络到达物联网设备端，中间没有设备进行数据的预处理及其他控制和操作。这样在大规模系统应用中会存在过分依赖云平台，占用云平台计算、存储、网络等资源，造成资源的浪费，且在实际应用中由于传统云计算网络本身固有的属性并非针对物联网应用，因此存在无法满足物联网应用中对实时性、安全性、分布式集中管理的应用需求。
基于此，本发明提供一种可重构雾节点及基于该雾节点的物联网系统。
技术实现要素：
本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种可重构雾节点及基于该雾节点的物联网系统。
一种可重构雾节点，包括硬件结构和软件结构，硬件结构包括处理器模块、可重构配置模块、io配置模块、网络模块；软件结构包括安全认证模块、策略控制模块，其中，
处理器模块包括cpu、内存及外存；
可重构模块包括可编程器件fpga；
io配置模块包括连接物联网设备及传感器的总线及接口；
网络单元包括无线及有线以太网、3g/4g/5g无线网络；
安全认证模块用于对所连设备进行认证、数据加解密处理；
策略控制模块用于接收来自云平台层的实时控制策略及实时数据处理策略，根据策略设定实现设备的控制和管理。
所述可重构雾节点实现如下功能：网络交换、数据计算、数据存储、数据处理、协议转换、设备管理、安全认证；该可重构雾节点层具有可重构性，即对各种功能在线进行更新和配置，这里的各种功能具体包括网络交换功能重构、计算和存储重构、数据处理算法重构、策略及安全重构、io配置重构。
所述可重构雾节点内配置有实时数据处理及响应物联网设备的策略接收器控制器，来对物联网设备进行实时性控制及实时数据处理。
所述可重构雾节点对同一局域网络中的所有物联网设备或传感器进行管理，包括采集物联网数据并对数据进行清洗、预处理以及存储；对设备的接入进行认证，数字证书下发、数据传输加密。
一种基于可重构雾节点的物联网系统，包括三个层面：
最上层为云平台层，即云计算平台，提供物联网平台所需的计算、存储及网络资源，用于支持物联网应用的运行；实现对物联网数据的采集存储；实现对物联网设备的管理和控制；
中间层为可重构雾节点层，位于云平台层和物联网终端之间，用于接收来自云平台层发来的控制指令并将相关指令转化成对设备进行管理和控制的具体命令，以实现对设备的管理和控制，该可重构雾节点还对物联网终端层的数据进行采集，并根据需要对数据进行清洗、预处理或预存储；
下层为物联网终端层，连接到可重构雾节点上，其管理和控制都是通过雾节点来实现。
所述云平台层包括物联网应用以及计算、存储及网络资源，该云平台层中的资源为虚拟化的云资源或物理机资源，资源的部署为集中式或分布式部署，云平台层和可重构雾节点层通过以太网、局域网或广域网方式进行连接。
所述可重构雾节点层由处理器模块、可重构配置模块、io配置模块、网络模块、安全认证模块、策略控制模块组成，其中处理器模块包括cpu、内存及外存；可重构模块包括可编程器件fpga；io配置模块包括连接物联网设备及传感器的总线及接口；网络单元包括无线及有线以太网、3g/4g/5g无线网络；安全认证模块用于对所连设备进行认证、数据加解密处理；策略控制模块用于接收来自云平台层的实时控制策略及实时数据处理策略，根据策略设定实现设备的控制和管理。
可重构雾节点层实现如下功能：网络交换、数据计算、数据存储、数据处理、协议转换、设备管理、安全认证；该可重构雾节点层具有可重构性，即对各种功能在线进行更新和配置，这里的各种功能具体包括网络交换功能重构、计算和存储重构、数据处理算法重构、策略及安全重构、io配置重构。
物联网终端层包括物联网设备和传感器，与重构雾节点的连接采用以太网、现场总线、zigbee、nb-iot或其他有线无线网络。
可重构雾节点层对同一局域网络中的所有物联网设备或传感器进行管理，包括采集物联网数据并对数据进行清洗、预处理以及存储；对设备的接入进行认证，数字证书下发、数据传输加密。
本发明的一种可重构雾节点及基于该雾节点的物联网系统和现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种可重构雾节点及基于该雾节点的物联网系统，有效地弥补了现有物联网系统对云端的过度依赖，使雾节点可以承担部分计算和处理能力，有效降低后台资源占用；雾节点根据云端的需求可进行在线重构及在线配置，极大地增加系统的灵活性；在云计算和物联网快速发展的时代背景下，本发明具有较大的创新性、实用性及应用推广价值，适用范围广泛。
附图说明
附图1为本发明系统的实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明基于云计算和物联网系统，利用软件定义技术、硬件可重构技术实现了一种具备网络交换、协议适配、数据智能采集分析等功能的可重构雾节点。
一种可重构雾节点，包括硬件结构和软件结构，硬件结构包括处理器模块、可重构配置模块、io配置模块、网络模块；软件结构包括安全认证模块、策略控制模块，其中，
处理器模块包括cpu及内存及外存等；可重构模块包括但不限于fpga等可编程器件；io配置模块包括但不限于连接物联网设备及传感器的各种总线及接口等；网络单元包括但不限于无线及有线以太网、3g/4g/5g等无线网络以及其他软件定义的网络；安全认证模块用于对所连设备进行认证、数据加解密等处理；策略控制模块用于接收来自云的实时控制策略及实时数据处理策略等，根据策略设定实现设备的控制和管理。
可重构雾节点在系统架构上位于云计算系统的边缘，即靠近物联网设备端。
该节点可实现包括但不限于如下功能：网络交换、数据计算、数据存储、数据处理、协议转换、设备管理、安全认证等。
相关功能是可重构及在线配置的包括但不限于交换路由配置、算法更新、协议转换、io配置、安全策略下发等。
相关可重构功能的实现包括但不限于sdx（sdn/sdc/sds/sdr）、在线可编程fpga等。
为保证对物联网设备的实时性控制及实时数据处理，在节点内设计有实时数据处理及响应物联网设备的策略接收器控制器。
可重构雾节点对物联网设备的连接可以采用包括但不限于以太网、现场总线、zigbee、nb-iot及其他有线无线网络。
本发明中sdx（sdn/sdc/sds/sdr）是指对软件定义网络(sdn)、软件定义计算（sdc）、软件定义存储(sds)、软件定义无线电(sdr)等软件定义模块的统称。
所述可重构雾节点对同一局域网络中的所有物联网设备或传感器进行管理，包括采集物联网数据并对数据进行清洗、预处理以及存储；对设备的接入进行认证，数字证书下发、数据传输加密。
如附图1所示，一种基于可重构雾节点的物联网系统，以解决目前基于云的物联网系统部署中计算、分析、存储等资源无法分配到物联网端以及无法满足物联网终端实时性、安全性需求等方面的问题。
包括三个层面：
最上层为云平台层；中间层为可重构雾节点层；下层为物联网终端层。
上层的云平台层是指云计算平台，提供物联网平台所需的计算、存储及交换等资源。具备包括支持物联网应用的运行；实现对物联网数据的采集存储；实现对物联网设备的管理和控制等。
云平台层包括物联网应用以及计算、存储及网络资源等。针对物联网系统相关资源可以为虚拟化的云资源也可以为物理机资源。同时资源的部署可以是集中式的也可以是分布式的。云平台层和可重构雾节点层可以基于以太网及其他局域或广域网方式进行连接。
中间层为可重构雾节点层，位于云平台层和物联网终端之间，其位置更靠近物联网终端。可重构雾节点用于接收来自云平台层的上层应用所发来的控制指令并将相关指令转化成对设备进行管理和控制的具体命令以实现对设备的管理和控制。此外，可重构雾节点还可以对物联网设备的数据进行采集，并根据需要对数据进行清洗、预处理或预存储等。
可重构雾节点层的重要特性是在于其可重构性，上述各种功能都是可以在线进行更新和配置的。具体包括网络交换功能重构；计算和存储重构；数据处理算法重构；策略及安全重构；io配置重构。本发明采用可配置cpu和fpga等现场可编程器件，根据物联网等应用的需要将sdx等软件定义方式经云端下载到可重构雾节点中从而实现雾节点的可重构。
可重构雾节点层包括：处理器模块、可重构配置模块、io配置模块、网络模块、安全认证模块、策略控制模块组成。处理器模块包括cpu及内存及外存等；可重构模块包括但不限于fpga等可编程器件；io配置模块包括但不限于连接物联网设备及传感器的各种总线及接口等；网络单元包括但不限于无线及有线以太网、3g/4g/5g等无线网络以及其他软件定义的网络；安全认证模块用于对所连设备进行认证、数据加解密等处理；策略控制模块用于接收来自云的实时控制策略及实时数据处理策略等，根据策略设定实现设备的控制和管理。
可重构雾节点在系统架构上位于云计算系统的边缘，即靠近物联网设备端。该节点可实现包括但不限于如下功能：网络交换、数据计算、数据存储、数据处理、协议转换、设备管理、安全认证等。相关功能是可重构及在线配置的包括但不限于交换路由配置、算法更新、协议转换、io配置、安全策略下发等。相关可重构功能的实现包括但不限于sdx（sdn/sdc/sds/sdr）、在线可编程fpga等。为保证对物联网设备的实时性控制及实时数据处理，在节点内设计有实时数据处理及响应物联网设备的策略接收器控制器。
下层物联网层连接到可重构雾节点上，其管理和控制都是通过雾节点来实现。由于雾节点距离物联网层较近，所以对物联网层的控制可以满足实时性等要求。
物联网终端层包括物联网设备和传感器等。与重构雾节点的连接可以采用包括但不限于以太网、现场总线、zigbee、nb-iot及其他有线无线网络。
雾节点可以对同一局域网络中的所有物联网设备或传感器进行管理。包括采集物联网数据并对数据进行清洗、预处理以及存储等。也包括对设备的接入进行认证等，包括但不限于数字证书下发、数据传输加密等。
实施例：
可重构雾节点可以采用alterastratixvfpga/soc，该soc集成了cpu和fpga，因此可以将处理器模块、可重构配置模块、io配置模块、网络模块、安全认证模块、策略控制模块等功能集成到一起。
实例1：算法可重构。在云平台端可以采用opencl对预更新的算法进行编译，产生针对alterastratixv平台的算法代码。为实现可重构功能，在alterastratixv启动后系统同时会启动更新驻留模块。算法更新时云平台上的应用程序会和fpga更新驻留模块进行通信，并将编译完的算法下载到雾节点系统中，由fpga系统中的更新驻留模块完成算法在线更新（烧写）功能，雾节点在复位后即可运行新的算法，从而实现算法的可重构。
实例2：网络可重构。采用sdn方式，sdn控制器根据需要可以运行在云平台中，也可以运行在雾节点中。对于需要进行网络重构的雾节点，可在雾节点中运行在线下载程序将sdn控制器下载到雾节点中执行；而对于运行于云平台中的sdn控制器则只需将流表转发程序下载到雾节点中运行即可实现网络功能可重构。
实例3：策略可重构。云平台中的应用可以对物联网设备进行策略控制，比如响应优先级，带宽分配等，其实现流程示例如下。应用程序根据需要配置相应的策略，通过网络下载到可重构雾节点中的策略控制器中，策略控制器根据接收到的策略表进行策略控制更新，从而对所连设备进行优先级等的策略控制。
实例4：安全可重构功能的实现原理与上面类似，在安全可重构中比如设备接入认证可采用ca证书方式实现，可在设备中预先注入数字证书，在设备接入物联网系统时由雾节点中的安全认证模块进行认证并将认证结果上传到云平台应用程序中，设备认证通过后可由策略控制模块进行相关的控制。对于安全认证方式的更新，可通过云平台下发需要更新的安全认证程序到雾节点中，实现对安全认证模块的重构。
本发明提出了一种可重构的雾节点，用于弥补现有物联网应用中云+物联网方式的不足。尤其在物联网链接数量和规模日益增大的情况下本发明可以有效地降低物联网对云端的计算、存储、网络等资源的需求，保证物联网的实时性，增加系统的灵活性。为物联网系统的构建提出了一个创新性的实现方法。
通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。